CN110688770B - 一种大型游乐设施体验效果的复现模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型游乐设施体验效果的复现模拟方法，包括：步骤1，用多体运动仿真软件建立大型游乐设施和复现体验效果的模拟体验平台仿真模型，并模拟得出空间机构运动链实时快速正、反解；步骤2，获取大型游乐设施乘客空间六自由度位姿数据；步骤3，用位姿数据作目标轨迹曲线逆向设计出复现用实体模拟体验平台的结构；步骤4，用位姿数据调试与实体模拟体验平台配套的虚拟视听影片，与乘客位姿同步；步骤5，用实体模拟体验平台自身机械动作配合同步虚拟视听影片以虚实结合方式共同完成复现模拟乘坐实体的大型游乐设施体验效果。该方法将模拟体验平台和虚拟视听影片结合实现大型游乐设施的体验效果的复现模拟，具有简易且模拟准确的优点。

Description

一种大型游乐设施体验效果的复现模拟方法

技术领域

本发明涉及游乐设施模拟领域，尤其涉及一种大型游乐设施体验效果的复现模拟方法。

背景技术

在游乐设施领域，大型游乐设施普遍存在设计、生产、制作成本高，试验验证周期长、数据采集困难且存在风险(或损害)等问题。并且，进行大型游乐设备的效果体验或试验研究也存在诸多的困难和风险。而目前并没有相对简易的复现大型游乐设施的体验效果或进行乘坐大型游乐设施的试验测试和数据收集的方法。

发明内容

基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种大型游乐设施体验效果的复现模拟方法，能解决现有无法以相对简易方式复现大型游乐设施的体验效果或进行乘坐大型游乐设施的试验测试和数据收集的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施方式提供一种大型游乐设施体验效果的复现模拟方法，包括：

步骤1，利用多体运动仿真软件分别建立大型游乐设施和复现该大型游乐设施体验效果的模拟体验平台的仿真模型，并通过建立仿真模型的运动模拟分别得出所述大型游乐设施和所述模拟体验平台的空间机构运动链的实时快速正解和反解；其中，运动链正解是指各链的运动位移已知、计算链末端点到达位置；运动链反解是指链末端点位置已知、计算各链关节满足末端位置点所需的运动位移；

步骤2，通过所述大型游乐设施对应的仿真模型获取所述大型游乐设施的乘客空间六自由度位姿数据；

步骤3，利用所述乘客空间六自由度位姿数据作为目标轨迹曲线，结合所述模拟体验平台的空间机构运动链的实时快速正解和反解逆向设计出用于复现所述大型游乐设施体验效果的实体模拟体验平台的具体结构；

步骤4，利用所述乘客空间六自由度位姿数据调试与所述实体模拟体验平台配套的虚拟视听影片，使所述虚拟视听影片与所述乘客空间六自由度位姿数据同步；

步骤5，利用所述实体模拟体验平台自身机械动作配合同步的虚拟视听影片以虚实结合方式共同完成复现模拟乘坐实体的大型游乐设施的体验效果。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的大型游乐设施体验效果的复现模拟方法，其有益效果为：

通过先用多体运动仿真软件建立大型游乐设施和复现该大型游乐设施体验效果的模拟体验平台的仿真模型，利用大型游乐设施的仿真模型获取的乘客空间六自由度位姿数据作为目标轨迹曲线，逆向设计出一个实体模拟体验平台作为复现模拟乘客体验的乘坐装置，辅以调试同步的虚拟视听影片，进而实现以体积较小的模拟体验平台，复现得到大型游乐设施的体验效果。该方法由于充分利用了多体运动仿真软件，相对简易的复现了大型游乐设施的乘客乘坐状态，能准确得到等效实体大型游乐设施的体验效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的大型游乐设施体验效果的复现模拟方法的流程图。

具体实施方式

下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

如图1所示，本发明实施例提供一种大型游乐设施体验效果的复现模拟方法，包括：

步骤1，利用多体运动仿真软件分别建立大型游乐设施和复现该大型游乐设施体验效果的模拟体验平台的仿真模型，并通过建立仿真模型的运动模拟分别得出所述大型游乐设施和所述模拟体验平台的空间机构运动链的实时快速正解和反解；其中，运动链正解是指各链的运动位移已知、计算链末端点到达位置；运动链反解是指链末端点位置已知、计算各链关节满足末端位置点所需的运动位移；

步骤2，通过所述大型游乐设施对应的仿真模型获取所述大型游乐设施的乘客空间六自由度位姿数据；

步骤3，利用所述乘客空间六自由度位姿数据作为目标轨迹曲线，结合所述模拟体验平台的空间机构运动链的实时快速正解和反解逆向设计出用于复现所述大型游乐设施体验效果的实体模拟体验平台的具体结构；

步骤4，利用所述乘客空间六自由度位姿数据调试与所述实体模拟体验平台配套的虚拟视听影片，使所述虚拟视听影片与所述乘客空间六自由度位姿数据同步；

步骤5，利用所述实体模拟体验平台自身机械动作配合同步的虚拟视听影片以虚实结合方式共同完成复现模拟乘坐实体的大型游乐设施的体验效果。

上述方法的步骤2中，通过所述大型游乐设施对应的仿真模型获取所述大型游乐设施的乘客空间六自由度位姿数据包括：

步骤21，在多体运动仿真软件中搭建大型游乐设施的仿真模型并进行运动模拟；

步骤22，利用所述多体运动仿真软件的物理量跟踪输出功能，在所述大型游乐设施的仿真模型的乘客位置放置位置互不重合且不共线的三个标记点，通过所述三个标记点进行大型游乐设施的乘客位姿定位；

步骤23，通过输出所述三个标记点相对于大地全局坐标系三方向的平动位移数据，进行乘客空间六坐标位姿的定向和定位，该三方向的平动位移数据作为提取的大型游乐设施的乘客空间六自由度位姿数据。

上述方法中，在多体运动仿真软件中搭建的大型游乐设施为：过山车、大摆锤等中的任一种；

所述多体运动仿真软件采用多体动力学软件。

上述方法中，在所述大型游乐设施的仿真模型的乘客位置放置位置互不重合且不共线的三个标记点为：

在乘客刚体中心点处放置一中心标记点D0，其余两标记点D1、D2和中心标记点D0连线应分别能定位头部和手部方向。

上述方法的步骤23中，通过输出所述三个标记点相对于大地全局坐标系三方向的平动位移数据为：三个标记点的位移输出坐标系取为大地全局坐标系，所述三个标记点分别输出相对于大地全局坐标系的三方向平动位移的九组时序数据，所述该九组数据作为提取的大型游乐设施的乘客空间六自由度位姿数据。

上述方法的步骤3中，利用所述乘客空间六自由度位姿数据作为目标轨迹曲线，逆向设计出用于复现所述大型游乐设施体验效果的模拟体验平台的具体结构包括：

步骤31，在多体运动仿真软件中先建立模拟体验平台的仿真模型；

步骤32，在所述模拟体验平台的仿真模型的末端乘客处放置位姿提取时对应的标记点，用大型游乐设施位姿标记点所测位置历程数据或成比例缩小数据，对该标记点进行逆向位移复现拖动；

步骤33，在末端乘客逆向拖动位姿对应比例位移后，通过数值解算出所述模拟体验平台的机构链各关节对应的运动指标数据和输出位移时间历程曲线数据；

步骤34，提取所述步骤33的位移、速度和加速度极值来进行初步的所述模拟体验平台的关节的动力装置选型和部件结构刚度和强度设计；

步骤35，所述模拟体验平台初步结构设计完成后，再使用所述步骤33中的各关节的输出位移时间历程曲线数据进行正向动力驱动，检验乘客动作是否正确复现，并修正关节动力选型和零部件结构设计，直至乘客动作正确复现；

步骤36，重复步骤34和35直至设计得出最优设计结构，然后再根据该最优设计结构，制作出最终的实体模拟体验平台。

上述方法的步骤31中，先建立模拟体验平台的仿真模型为：

按尺寸布局和机构样式建立模拟体验平台的仿真模型。

上述方法的步骤33中，在末端乘客逆向拖动位姿对应比例位移后，通过数值解算出所述模拟体验平台的机构链各关节对应的运动指标数据为：

所述模拟体验平台的机构链各关节对应的所需位移、速度和加速度。

上述方法的步骤4中，利用所述乘客位姿数据制作调试所述模拟体验平台配套的虚拟视听影片，使所述视听影片与所述乘客位姿同步包括：

根据所述乘客空间六自由度位姿数据和所述步骤3中的模拟体验平台复现的乘客空间六自由度位姿数据，调试配套同步虚拟视听影片的画面动作和情节场景，实现虚实结合和效果叠加，复现得出等效于实体的大型游乐设施的同步体验效果。

本发明的复现模拟方法，通过先用多体运动仿真软件建立大型游乐设施和复现该大型游乐设施体验效果的模拟体验平台的仿真模型，利用大型游乐设施的仿真模型获取的乘客空间六自由度位姿数据作为目标轨迹曲线，逆向设计出一个实体模拟体验平台作为复现模拟乘客体验的乘坐装置，辅以调试同步的虚拟视听影片，进而实现以体积较小的模拟体验平台，复现得到大型游乐设施的体验效果。

下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。

本发明是一种将实体模拟体验平台(即实现机械动作模拟的室内体验平台)和虚拟视听影片相结合进行大型游乐设施的体验效果的复现模拟方法，是一种在小型室内设备(即实体模拟体验平台)上复现模拟大型游乐设施体验效果的方法。该方法利用多体运动仿真软件(如：MSC.ADAMS或功能类同的动力学仿真软件均可)进行大型游乐设施的虚拟样机运动模拟、获取乘客空间六自由度位姿数据，以得到的乘客空间六自由度位姿数据作为目标轨迹曲线，利用目标轨迹曲线先逆向设计一个实体模拟体验平台(具有独立的空间六自由度)作为复现模拟乘客体验的乘坐装置，由于受室内尺寸和空间场地限制，具体模拟实施的乘坐装置对大型游乐设施的姿态完整复现、位移等只是成比例复现，后续通过配套虚拟视听影片的相对运动(视觉特效)来完整复现等效位姿。

该方法具体包括以下步骤：

步骤1，移植应用多体动力学仿真软件平台进行大型游乐设施和复现体验平台的虚拟建模和空间机构运动链(姿态)的实时快速正、反(逆)解；

步骤2，通过互不重合且不共线的3个虚拟标记点的坐标位移来等效定位记录并输出乘客位姿，实现获取乘客空间六自由度位姿数据；

步骤3，使用乘客空间六自由度位姿数据作为目标轨迹曲线逆向进行模拟体验平台的自由度、关节动力和结构方案设计；

步骤4，使用同样的乘客空间六自由度位姿数据进行模拟体验平台配套视听影片的制作调试、实现与乘客位姿同步；

步骤5，利用模拟体验平台，通过其自身机械动作配合同步的虚拟视听影片以虚实结合方式共同完成复现模拟乘坐实体的大型游乐设施的体验效果。

上述方法中，等效提取大型游乐设施的乘客空间六自由度位姿数据步骤如下：

步骤21：针对特定的大型游乐设施(如包括但不限于过山车、大摆锤等)，在多体运动仿真软件中进行其仿真模型搭建并进行运动模拟；

步骤22：借助多体运动仿真软件物理量跟踪输出功能，在乘客位置处放置三个位置互不重合且不共线的标记点来定位人体姿态(默认要求乘客刚体中心点处放置一中心标记点，其余两标记点和中心标记点连线应能分别定位头部和手部方向)，使用该三个标记点在大地全局坐标系下的位移坐标，等效定位乘客位姿并进行数据输出。

上述方法中，逆向进行模拟体验平台设计实施步骤:

步骤31：进行模拟体验平台的粗略概念建模(仅尺寸布局和机构样式模型)；

步骤32：在末端乘客处放置位姿提取时对应标记点，使用对应上述步骤22中标记点所测位置历程数据(或成比例缩小数据)、对该标记点进行逆向位移复现拖动；

步骤33：在末端乘客逆向拖动位姿对应比例位移后，通过数值解算出平台机构链各关节对应所需位移和速度、加速度等运动指标数据和输出位移时间历程曲线数据；

步骤34：提取步骤33步位移、速度、加速度极值用来进行初步的关节的动力装置选型和部件结构刚、强度设计；

步骤35：平台初步结构设计完成后，再使用步骤33中输出的各关节的输出位移时间历程曲线数据进行正向动力驱动，检验乘客动作是否正确复现、修正关节动力选型和零部件结构设计等；

步骤36：重复步骤34～35直至完成模拟体验平台最优结构、方案设计，进而制作出实体模拟体验平台。

上述方法中，制作调试同步视听影片的方式如下：

根据上述步骤22获取的乘客空间六自由度位姿数据和步骤33中模拟体验平台复现的比例位姿数据，调试配套同步虚拟视听影片的画面动作和情节场景，实现虚实结合、效果叠加，复现等效于实体大型游乐设施的同步体验效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种大型游乐设施体验效果的复现模拟方法，其特征在于，包括：

步骤1，利用多体运动仿真软件分别建立大型游乐设施和复现该大型游乐设施体验效果的模拟体验平台的仿真模型，并通过建立仿真模型的运动模拟分别得出所述大型游乐设施和所述模拟体验平台的空间机构运动链的实时快速正解和反解；

步骤2，通过所述大型游乐设施对应的仿真模型获取所述大型游乐设施的乘客空间六自由度位姿数据；

步骤3，利用所述乘客空间六自由度位姿数据作为目标轨迹曲线，结合所述模拟体验平台的空间机构运动链的实时快速正解和反解逆向设计出用于复现所述大型游乐设施体验效果的实体模拟体验平台；

步骤4，利用所述乘客空间六自由度位姿数据调试与所述实体模拟体验平台配套的虚拟视听影片，使所述虚拟视听影片与所述乘客空间六自由度位姿数据同步；

步骤5，利用所述实体模拟体验平台通过该实体模拟体验平台自身机械动作配合同步的虚拟视听影片以虚实结合方式共同完成复现模拟乘坐实体的大型游乐设施的体验效果。

2.根据权利要求1所述的大型游乐设施体验效果的复现模拟方法，其特征在于，所述方法的步骤2中，通过所述大型游乐设施对应的仿真模型获取所述大型游乐设施的乘客空间六自由度位姿数据包括：

步骤21，在多体运动仿真软件中搭建大型游乐设施的仿真模型并进行运动模拟；

步骤22，利用所述多体运动仿真软件的物理量跟踪输出功能，在所述大型游乐设施的仿真模型的乘客位置放置位置互不重合且不共线的三个标记点，通过所述三个标记点进行大型游乐设施的乘客位姿定位；

步骤23，通过输出所述三个标记点相对于大地全局坐标系三方向的平动位移数据，进行乘客空间六坐标位姿的定向和定位，该三方向的平动位移数据作为提取的大型游乐设施的乘客空间六自由度位姿数据。

3.根据权利要求2所述的大型游乐设施体验效果的复现模拟方法，其特征在于，所述方法中，在多体运动仿真软件中搭建的大型游乐设施为：过山车、大摆锤中的任一种；

所述多体运动仿真软件采用多体动力学软件。

4.根据权利要求2或3所述的大型游乐设施体验效果的复现模拟方法，其特征在于，所述方法中，在所述大型游乐设施的仿真模型的乘客位置放置位置互不重合且不共线的三个标记点为：

在乘客刚体中心点处放置一中心标记点D0，其余两标记点D1、D2和中心标记点D0连线应分别能定位头部和手部方向。

5.根据权利要求2或3所述的大型游乐设施体验效果的复现模拟方法，其特征在于，所述方法的步骤23中，通过输出所述三个标记点相对于大地全局坐标系三方向的平动位移数据为：三个标记点的位移输出坐标系取为大地全局坐标系，所述三个标记点分别输出相对于大地全局坐标系的三方向平动位移的九组时序数据，所述该九组数据作为提取的大型游乐设施的乘客空间六自由度位姿数据。

6.根据权利要求1至3任一项所述的大型游乐设施体验效果的复现模拟方法，其特征在于，所述方法的步骤3中，利用所述乘客空间六自由度位姿数据作为目标轨迹曲线，逆向详细设计出用于复现所述大型游乐设施体验效果的模拟体验平台包括：

步骤31，在多体运动仿真软件中先建立模拟体验平台的仿真模型；

步骤32，在所述模拟体验平台的仿真模型的末端乘客处放置位姿提取时对应的标记点，用大型游乐设施位姿标记点所测位置历程数据或成比例缩小数据，对该标记点进行逆向位移复现拖动；

步骤33，在末端乘客逆向拖动位姿对应比例位移后，通过数值解算出所述模拟体验平台的机构链各关节对应的运动指标数据和输出位移时间历程曲线数据；

步骤34，提取所述步骤33的位移、速度经加速度极值来进行初步的所述模拟体验平台的关节的动力装置选型和部件结构刚度和强度设计；

步骤35，所述模拟体验平台初步结构设计完成后，再使用所述步骤33中的各关节的输出位移时间历程曲线数据进行正向动力驱动，检验乘客动作是否正确复现，并修正关节动力选型和零部件结构设计，直至乘客动作正确复现；

步骤36，重复步骤34和35直至设计得出最优设计结构，然后再根据该最优设计结构，制作出最终的实体模拟体验平台。

7.根据权利要求6所述的大型游乐设施体验效果的复现模拟方法，其特征在于，所述方法的步骤31中，先建立模拟体验平台的仿真模型为：

按尺寸布局和机构样式建立模拟体验平台的仿真模型。

8.根据权利要求6所述的大型游乐设施体验效果的复现模拟方法，其特征在于，所述方法的步骤33中，在末端乘客逆向拖动位姿对应比例位移后，通过数值解算出所述模拟体验平台的机构链各关节对应的运动指标数据为：

所述模拟体验平台的机构链各关节对应的所需位移、速度和加速度。

9.根据权利要求1至3任一项所述的大型游乐设施体验效果的复现模拟方法，其特征在于，所述方法的步骤4中，利用所述乘客位姿数据制作调试所述模拟体验平台配套的虚拟视听影片，使所述视听影片与所述乘客位姿同步包括：

根据所述乘客空间六自由度位姿数据和所述步骤3中的模拟体验平台复现的乘客空间六自由度位姿数据，调试配套同步虚拟视听影片的画面动作和情节场景，实现虚实结合和效果叠加，复现得出等效于实体的大型游乐设施的同步体验效果。

Images